不同工況下液壓支架承載能力研究

趙元江

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司， 山西 大同 037101）

引言

液壓支架是進行煤礦綜采的重要支撐設備，在我國的煤礦生產中具有廣泛的應用。液壓支架對井下的作業人員及采掘設備提供安全的作業空間，在煤礦的生產中承受的載荷較多，對其承載性能具有較高的要求[1]。液壓支架的生產成本較高，生產工藝復雜，在保證液壓支架承載能力的同時，應盡量優化液壓支架的結構，降低其重量，提高其可靠性及使用壽命[2]。針對液壓支架在生產過程中不同工況下的承載能力，采用有限元仿真的形式進行分析，從而提高液壓支架的設計水平[3]，為液壓支架的優化提供參考，為煤礦的安全生產提供保障。

1 液壓支架仿真分析模型的建立

液壓支架的組成主要包括承載結構件、執行元件、控制元件、輔助元件及傳動介質，對液壓支架的承載能力進行分析，主要對承載結構件進行建模分析，主要包括頂梁、掩護梁、連桿及底座等部件[4]。采用CATIA 軟件對液壓支架進行三維模型的建立，建模過程中，對液壓支架的結構進行一定的簡化，從而可以節約后續的仿真計算時間。在保證主要的承載結構件主體結構不變的前提下[5]，對圓角、小孔等進行簡化忽略，依據液壓支架的結構尺寸進行模型的建立。

采用有限元分析的方式對液壓支架的承載能力進行分析，即將連續變化的求解區域進行離散化，將計算域劃分為有限的相互關聯的子域[6]，將問題進行簡化求解。采用有限元分析軟件ABAQUS 進行液壓支架承載能力的仿真分析，ABAQUS 是進行有限元分析常用的軟件，具有較多的單元種類及材料模型[7]，對模型的接觸具有更多的定義，并對斷裂及疲勞分析等較為有效，適用于對液壓支架的承載力進行分析。

將在CATIA 中建立的模型導入到ABAQUS 中，對液壓支架模型進行網格劃分處理。對液壓支架進行靜態承載能力的分析，選擇使用四面體縮減積分單元進行網格劃分，這樣可以避免由于液壓支架的結構較大，造成劃分網格時間過長[8]，且具有較好的分析精度。針對液壓支架主要的結構連接位置進行一定的網格細化處理，從而改善網格的質量，提高計算的精度，經網格劃分得到液壓支架的模型如圖1 所示。

圖1 液壓支架網格劃分模型

對液壓支架進行計算分析時，首先需在ABAQUS中進行一定的前處理。對液壓支架的材料進行設定，選擇線彈性的材料屬性[9]，液壓支架的主要材料為Q550 高強度結構鋼，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為550 MPa。

針對液壓支架的承載能力進行分析，對液壓支架兩種最危險的工況進行分析，即液壓支架的頂梁偏載和頂梁扭轉工況。液壓支架的承載分析屬于靜力學分析，ABAQUS 中的時間步設定沒有實際的物理意義。為便于分析，設定分析步的時間為1，最大的增量步設置為1 000，最小的增量尺寸為0.01，最大的增量尺寸為0.02。對液壓支架間的接觸采用虛擬銷軸連接器的形式進行計算[10]，采用鉸接的方式進行處理，約束銷軸的5 個自由度[11]，可繞軸心進行轉動，所分析的液壓支架的額定工作壓力為6 800 kN，工作時的最低高度為15 000 mm、最大高度為32 000 mm。

2 不同工況下液壓支架承載仿真結果分析

2.1 頂梁偏載工況下的仿真結果

依據液壓支架的測試標準，頂梁偏載試驗時，支架的高度為最低高度上升300 mm，施加載荷時，以1.2 倍的額定工作壓力進行加載，將載荷直接作用在底座的柱窩及頂梁的柱帽內表面[12]。液壓支架在頂梁偏載的工況下限制底座在地面的6 個自由度，約束頂梁墊塊沿水平兩個方向的移動自由度，對液壓支架的應力及變形進行計算分析，對結果進行后處理得到液壓支架頂梁偏載工況下的變形及應力分布如圖2 所示。

圖2 頂梁偏載工況下液壓支架整體應力及變形分布

從圖2 中可以看出，在頂梁偏載的工況下，液壓支架與立柱相連接處的底座柱窩和頂梁的柱帽處所受到的應力值較大，最大應力為453 MPa 及608 MPa，這兩處連接位置存在一定的應力集中，且是主要的承受載荷施加的位置，所受到的應力值較大，應力值小于材料的屈服極限，不存在材料屈服的問題。液壓支架整體的變形量較小，最大的變形量為7.6 mm，相對液壓支架的整體尺寸，此工況下所產生的變形量較小。

2.2 頂梁扭轉工況下的仿真結果

依據液壓支架的測試標準，頂梁扭轉試驗時，支架的高度為最大工作高度減去行程的1/3。施加載荷時，以1.2 倍的額定工作壓力進行加載，將載荷直接作用在底座的柱窩及頂梁的柱帽內表面。液壓支架在頂梁扭轉的工況下限制底座在地面的6 個自由度，增加兩處頂梁墊塊，約束頂梁墊塊沿水平兩個方向的移動自由度，對液壓支架的應力及變形進行計算分析，對結果進行后處理得到液壓支架頂梁扭轉工況下的變形及應力分布如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，在頂梁扭轉的工況下，液壓支架整體受到的最大應力位于頂梁底部兩柱帽中間位置的腹板及頂梁柱帽兩側的邊板與掩護梁相連接的銷孔位置，最大應力值為750 MPa，這一應力值超出了液壓支架材料的許用應力，但位于頂梁前后端墊塊的位置。在分析過程中，為便于分析，施加載荷的墊塊設定為5 mm，是造成應力較大的主要原因，實際加載時沒有厚度差的存在，整體應力滿足材料的使用需求。液壓支架整體的變形量較小，最大的位移變形量為1.3 mm，相對液壓支架的整體尺寸，此工況下所產生的變形量較小。

圖3 頂梁扭轉工況下液壓支架整體應力及變形分布

3 結語

液壓支架是煤礦開采過程中重要的支護設備，對煤礦的安全具有重要的影響。液壓支架在工作過程中受到的載荷作用復雜多變，對其承載能力具有較高的要求。針對液壓支架承載最大的頂梁偏載及頂梁扭轉工況進行承載性能的分析，采用有限元仿真分析的形式對液壓支架進行建模分析。結果表明，液壓支架在頂梁偏載的工況下最大應力位于液壓支架與立柱相連接處的底座柱窩和頂梁的柱帽處；頂梁扭轉的工況下最大應力位于頂梁腹板及邊板與掩護梁相連接的銷孔位置，承受的有效應力值均小于材料的許用應力，液壓支架的整體變形量較小，承載能力滿足系統的使用需求。